Les engrenages et les transmissions mécaniques sont chez eux dans la région d'Émilie-Romagne, la Motor Valley du nord de l'Italie. Une équipe de chercheurs de l'Université de Bologne et de l'Institut de synthèse organique et de photoréactivité du Conseil national de la recherche (Cnr-Isof) à Bologne, dirigé par Massimo Baroncini et Alberto Credi, a prévu, NanoGear construit et exploité, un dispositif composé de composants moléculaires imbriqués et conçu pour fonctionner comme un engrenage. Puisque les molécules sont des objets nanométriques (1 nanomètre =1 millionième de millimètre), c'est un appareil excessivement petit :Certes, le plus petit engrenage jamais produit dans le pays italien des moteurs.

« La transmission et la transformation des mouvements nanométriques dans les molécules biologiques sont à la base des principales fonctions des organismes vivants. Néanmoins, ces phénomènes sont mal compris dans les molécules artificielles car ils sont extrêmement difficiles à identifier et à observer. La construction de dispositifs moléculaires tels que NanoGear est un premier pas vers le développement de dispositifs mécaniques ultra-miniaturisés à base de moteurs moléculaires, avec des applications de rupture potentielles dans divers domaines de la technologie et de la médecine ", dit Alberto Credi.

Le dispositif

La molécule NanoGear appartient à la classe des rotaxanes et se compose de trois éléments :un anneau pouvant coulisser le long d'un axe qui porte un rotor installé en son centre.

"L'anneau est libre de faire la navette le long de l'axe sur toute sa longueur, mais il ne peut pas s'échapper car deux groupes volumineux (butées) positionnés aux extrémités de l'essieu l'empêchent de glisser. Le rotor est libre de tourner autour de son propre axe et possède deux « lames » différentes pour faciliter l'observation du mouvement, " explique Massimo Baroncini. " Le principal élément de conception de NanoGear réside dans le fait que le rotor est directement lié à l'axe par une liaison chimique (covalente) régulière, alors que la bague est verrouillée mécaniquement autour de l'axe par la présence des bouchons. Tant la translation de l'anneau que la rotation du rotor sont des oscillations aléatoires déterminées par l'énergie thermique de la molécule; en d'autres termes, l'engrenage n'est couplé à aucun moteur et fonctionne « au point mort ». Des techniques sophistiquées de résonance magnétique nucléaire ont été utilisées pour observer les mouvements et mesurer leurs taux. »

A 65°C, la bague fait la navette d'un bout à l'autre de l'essieu environ 7 fois par minute, passer sur le rotor ; dans le même laps de temps, ce dernier effectue environ 260 rotations. Les deux mouvements ne sont donc pas synchronisés; cependant, ils s'influencent mutuellement, comme le montrent les expériences menées sur des molécules similaires au NanoGear mais dépourvues de rotor ou d'anneau.

Un autre résultat significatif et inattendu est l'effet du milieu dans lequel la molécule est dispersée :En changeant de solvant, l'un des deux mouvements est ralenti, tandis que l'autre est accéléré. Une telle "lubrification spécifique" ne trouve aucune correspondance dans le monde macroscopique, et constitue l'une des propriétés non conventionnelles des nanodispositifs pouvant conduire à des innovations technologiques radicales.

Le projet

Machines moléculaires artificielles, récompensé par le prix Nobel de chimie en 2016, convertir l'énergie d'une source en mouvements contrôlés à l'échelle nanométrique et sont l'un des résultats les plus frappants de la nanotechnologie. Afin d'exploiter ces mouvements, cependant, des éléments passifs capables de les traiter et de les transmettre à d'autres composants, comme cela arrive dans les appareils macroscopiques, sont nécessaires. Dans cette recherche, les chimistes fonctionnent de la même manière que les ingénieurs et les architectes, mais en manipulant des objets un milliard de fois plus petits, puisque leurs éléments constitutifs sont des atomes et des molécules.

NanoGear est le résultat d'un projet né il y a environ cinq ans et s'inscrit dans une activité de recherche dans laquelle le Center for Light Activated Nanostructures (Clan), un laboratoire commun de l'Université de Bologne et du Conseil national italien de la recherche, est une référence internationale.

NanoGear a été créé avec le soutien d'une subvention avancée du Conseil européen de la recherche (ERC), la bourse la plus prestigieuse et la plus compétitive pour la recherche scientifique en Europe. Autrefois, le même laboratoire avait déjà attiré l'attention du public en développant des pompes à base moléculaire ( Nature Nanotechnologie , 2015) et des éponges ( Chimie de la nature , 2015) alimenté par la lumière. Le rôle central des recherches menées à Bologne sur le thème des machines moléculaires a été reconnu lors de l'événement "MolecularMachinesDays", tenue à Bologne en novembre 2018 avec la participation des trois lauréats 2016 du prix Nobel de chimie.

Les résultats

La réalisation de dispositifs artificiels constitués de molécules est d'un grand intérêt pour le développement des nanotechnologies. « Comme le montrent les résultats obtenus ces dernières années dans les laboratoires du monde entier, la nanotechnologie peut nous fournir des matériaux plus légers et plus résistants, des ordinateurs et des robots plus petits et plus puissants, de meilleurs systèmes de transformation et de stockage de l'énergie, de nouvelles méthodes de diagnostic médical et de thérapies, " dit Alberto Credi. " NanoGear est un petit mais significatif pas dans cette direction. S'il est actuellement difficile d'identifier une utilisation spécifique de NanoGear, la recherche fondamentale qui a conduit à son développement a un potentiel révolutionnaire pour la science et la technologie qui va bien au-delà des applications pratiques à court terme. »